刺激大脑的电极揭示意识体验的根源

考虑以下体验

• 你正走向几英里外的暴风雨，你必须越过一座小山。你问自己：“我该如何越过它，穿过它？”

• 你看到黑色背景上的小白点，就像在晚上仰望星空一样。

• 你从上方俯视躺在床上的自己，但只看到你的腿和下半身躯干。

这些可能看起来像是从构成我们日常意识流的广阔感知、感觉、记忆、思想和梦想宇宙中提取的特有事件。事实上，每一个事件都是通过用电极直接刺激大脑而引起的。正如美国诗人沃尔特·惠特曼在他的诗《我歌唱身体的 электричество》中所预感的那样，这些轶事说明了身体及其赋予生命的灵魂之间的密切关系。大脑和有意识的思维就像一枚硬币的两面一样不可分割地联系在一起。

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最近的临床研究揭示了意识活动的一些规律和规则，这些发现有时被证明是自相矛盾的。它们表明，参与意识感知的大脑区域与思考、计划和其他更高级的认知功能几乎无关。神经工程师们一直在努力将这些见解转化为技术，以取代失去的认知功能，并在更遥远的未来，增强感觉、认知或记忆能力。例如，脑机接口现在可以为完全失明的人提供有限的感知光线的能力。然而，这些工具也揭示了完全恢复视觉或听觉的困难。它们更加突显了科幻小说般的增强技术所面临的障碍，这些技术本应使人们能够像访问电脑存储驱动器一样访问大脑。

动物电

神经系统通过超密集和超连接的开关元件网络中的电流流动来运作。在过去的两个半世纪里，无数的医生和科学家研究过这个问题，最早可以追溯到 18 世纪后期的意大利医生路易吉·伽伐尼，他将一只刚被杀死的青蛙连接到一根长金属丝上。通过在雷暴期间将金属丝指向天空，他使青蛙的腿在每次闪电时都跳动和抽搐。伽伐尼的研究表明，神经纤维传递“动物电”，这与本杰明·富兰克林在 1752 年在费城进行的风筝实验中发现的“大气电”本质上没有什么不同。1802 年，伽伐尼的侄子乔瓦尼·阿尔迪尼在一次公共活动中用电刺激了一名被斩首囚犯暴露的大脑。下巴颤抖了。眼睛睁开了。这一景象可能有助于启发玛丽·雪莱创作了 1818 年的经典哥特小说《弗兰肯斯坦》。

随后的动物研究表明，刺激特定的大脑区域会引发特定肌肉和肢体的运动。这些研究导致了 1870 年代运动皮层的发现。1874 年，美国医生罗伯特·巴索洛首次对一位有意识的患者进行了直接的脑刺激——这是一项开创性的行为，但因其给患者带来痛苦并可能加速其死亡而蒙上了伦理争议的阴影。颅内电刺激 (iES) 在随后的几十年中得到了改进。由于蒙特利尔神经病学研究所的怀尔德·潘菲尔德在 1930 年代至 1950 年代进行的开创性工作，iES 成为神经外科医生工具箱的一部分，他使用 iES 来绘制处理运动或感觉功能的皮层区域。

在一些癫痫患者中，药物无法充分控制癫痫发作的次数或严重程度。如果癫痫发作起源于皮层（大脑的最外层，涉及感知、运动控制、言语、推理等等）或密切相关的结构（如海马体）的划定区域，神经外科手术就成为一种选择。不受控制的过度兴奋是由于局部线路故障开始的。它可能会增长并最终吞噬大脑的其余部分。切除多少组织是一个难题：切除太少，癫痫发作可能会继续；切除太多，患者可能会失去说话、看或行走的能力。外科医生必须避开对日常行为至关重要的皮层区域，例如主要的听觉、视觉、体感和运动皮层，以及控制理解和产生言语的区域，这些区域被称为雄辩皮层。

引入 iES 作为寻找需要保留的组织的一种手段。神经外科医生将盘状电极植入颅骨内，位于坚韧、皮革状的膜（称为硬脑膜）下方。或者，他们可以将针状电极插入大脑的灰质中以探测其功能。一旦外科医生确定了癫痫发作的焦点并移除了电极，他们就会在后续手术中取出该组织，患者通常会不再癫痫发作。

iES 的另一种用途是慢性电刺激，其中电极永久性地留在原位。通过电极发送的轻柔电流脉冲可以控制帕金森病的震颤和僵硬（一种称为深部脑刺激的技术）或减少癫痫发作的发生率和严重程度。初步临床实验已经评估了使用这种植入电极作为视觉假体装置，使视力障碍人士能够导航，以及作为强迫症和抑郁症的疗法。

热门与否

2020 年 7 月，《自然人类行为》杂志发表了一份图谱，重点介绍了皮层各处的位点，当用电极刺激这些位点时，会引发意识体验，例如前面提到的风暴和身体分离感。在斯坦福大学医学院神经病学教授约瑟夫·帕尔维兹的领导下，临床团队收集了 67 名癫痫患者的数据。研究人员记录了来自皮层中 1500 多个位点的电活动，主要使用硬膜下电极。他们将来自这些位点的记录映射到数字大脑模型上的点，以便他们可以比较来自不同大脑的数据（使该器官看起来像一个超大核桃的脊和谷的模式因人而异）。研究小组寻找“响应性”电极，这些电极会触发一些视觉或触觉、肌肉抽搐或言语中断。如果患者在受到刺激时没有任何感觉，则该电极被标记为无响应。

患者报告了一系列电极诱发的 субъективные 体验：类似于星光的短暂闪烁点；像萨尔瓦多·达利绘画中那样的扭曲面孔；身体感觉，如刺痛、瘙痒、灼烧、搏动和所谓的出体体验；恐惧、不安、性唤起、欢乐；移动肢体的愿望；在面对一些伟大但未被认识到的挑战时坚持不懈的意志。仅仅用一点电流刺激神经组织就足以唤起这些感觉。在假刺激（未施加电流）期间，患者没有任何感觉。

虽然 iES 安全有效，但它也很粗糙。低阻抗电极的面积为 6 到 10 平方毫米，并在相邻电极之间输送高达 10 毫安的电流——足以调节一百万或更多神经细胞的兴奋性。尽管如此，iES 引起的效果可能非常局部化。响应性可能会在几毫米内或跨越脑沟（皮层表面的凹槽）从完全有到完全没有。

帕尔维兹团队发现，专用感觉和运动区域的电极比皮层中处理更高级认知功能的区域的电极更可能具有响应性。视觉和触觉（体感）皮层区域上方一半到三分之二的电极触发了一些意识感知；在参与更高级思维过程的侧前额叶皮层和前内侧前额叶皮层区域，最多只有五分之一的电极这样做。换句话说，皮层后部的电极（负责感觉体验的区域）比前部的电极更活跃，前部由对认知活动（如思考、计划、道德推理、决策和智力）重要的皮层区域组成。

尽管这些区域对于思考很重要，但它们与意识几乎无关。事实上，在过去的一个世纪里，神经外科医生观察到，只要雄辩皮层得到保留，前额叶皮层的大片区域就可以被切除，而不会对这些患者的日常意识流造成明显的缺陷。这些非雄辩皮层区域可以调节意识，但总的来说，它们不是意识体验似乎发源的地方。这种特权属于更靠后的区域——顶叶、颞叶和枕叶。为什么我们精神体验的物理基质应该位于大脑的后部而不是前部仍然是一个谜。

看与不看

将 iES 应用于视觉皮层会触发被称为光幻视的光学现象，即类似于闪电划过黑暗平原的短暂闪光。这一观察结果是一个长期梦想的来源，即开发一种能够为盲人恢复部分视力的假体设备。全球数百万人的双眼因视网膜色素变性、年龄相关性黄斑变性、青光眼、感染、癌症或外伤而存在缺陷。

医生、科学家和工程师从 1960 年代开始追求视觉假体，但直到最近才能够利用适当的技术来帮助盲人。一个突出的例子是 Orion 设备，由洛杉矶的 Second Sight Medical Products 开发。安装在眼镜上的微型摄像头将图像转换为脉冲，并通过无线方式将其传输到位于视觉皮层上的 60 个电极。已经将这种实验性设备植入大脑的人们感知到点状云，这使他们能够导航。“每次我打开它仍然很兴奋，”一位研究参与者报告说。“在什么都看不到之后，突然看到小光点移动，并弄清楚它们意味着什么。再次拥有某种形式的功能性视觉真是太棒了。” Orion 显着提高了以前生活在完全黑暗中的人们的生活质量。它使他们能够安全地过马路或找到门口。但是它不允许他们重新获得识别图形、形状或字母的能力。

正如《细胞》杂志所述，加利福尼亚大学洛杉矶分校和贝勒医学院的一个团队在神经外科医生丹尼尔·约肖尔的领导下确实完成了这项壮举。他们刺激了视觉皮层中附近的位点，以触发彼此靠近出现的光幻视，这表明外部视觉环境以规则的方式映射到视觉皮层的表面。这一观察结果导致了一种错误的信念，即单个光幻视就像计算机显示器上的像素一样——也就是说，如果你同时刺激皮层表面上一系列呈十字形状的点，受试者应该看到形成十字的点。然而，这并没有发生。

刺激多个位置会产生不可预测的结果。在一位参与者中，同时刺激五个电极（每个电极与一个离散的光幻视相关联）触发了两个大的光幻视的照明，这两个光幻视没有合并成一个字母或任何其他连贯的形式。然而，如果研究人员在时间上交错激活电极，受试者就可以识别形状。交错反映了追踪字母形状所需的延迟，就好像研究人员在受试者的手上或一张纸上勾勒出一个字母。以这种更动态的方式，植入物视力受阻的受试者可以通过描绘 Z、N、V 和 W 来识别刺激，快速区分向上和向下运动或区分字母序列。

看到单个字母的形状与看到荷马酒色海洋上壮丽的日落截然不同，但这代表着进步。为什么及时交错刺激可以改善感知尚不清楚，并且揭示了我们在功能性皮层回路方面的无知。

未来的展望

所谓脑机接口的技术进步正在快速进行。埃隆·马斯克的公司 Neuralink 在 2021 年 4 月发布了一段令人印象深刻的视频，展示了一只猴子在没有任何控制器的情况下玩电脑游戏 Pong。这是通过在动物的左右运动皮层中植入两个小芯片来实现的。每个芯片都有 1,024 个发丝状电极，可以记录单个神经元的喋喋不休。它们共同传达了猴子快速向上或向下移动屏幕上的桨以将球返回到另一侧的意图。一切都是无线完成的；猴子的头部没有伸出任何电子设备或悬挂的电线。许多人认为，外科医生很快就会常规地用更优越的电子替代品来替换或绕过有缺陷的生物组件——有缺陷的眼睛或耳朵、衰退的记忆。这种乐观情绪忽略了一个事实，即所有这些都需要颅骨环锯术。一般来说，将科学见解转化为实际疗法需要数十年而不是数年。我非常有信心这种增强功能不会在我的有生之年发生（我现在 66 岁）。

在通往这种乌托邦式（或可能是反乌托邦式）未来的道路上，最“容易”克服的障碍是技术障碍——可靠、快速且精细地读取和写入大脑电信号。Neuralink 的设备代表了当前可用技术的最佳水平，并且肯定会在未来的迭代中得到改进。但是，我们还有很长的路要走，才能确定藜麦大小的任何大脑物质中的 50,000 甚至更多神经元中的哪些参与了任何给定的感知或动作。只有当这种情况发生时，才有可能将电刺激限制在这些神经元上，而不是附近细胞的输出电缆上。帕尔维兹及其同事未能在一半以上的受刺激部位引发意识感知，这表明我们缺乏能够通过电刺激可靠地引发任何感觉的工具，更不用说能够唤起任何高度特定的感觉了。

更具挑战性的是外科和监管障碍，这些障碍要求假体设备可以通过钻穿坚硬的颅骨进入下方的灰质来常规且安全地植入，同时最大限度地降低感染、出血和癫痫发作的风险。此外，电子设备必须在温暖、潮湿和咸的生物组织内部运行多年——这绝不是最佳的操作方案。您不希望您的假体设备腐蚀或冻结，出现相当于蓝屏死机的故障。因此，神经植入物对于那些患有严重感觉或运动障碍的人来说仍然是最后的手段。随着神经假体设备通过临床试验，它们将帮助视力障碍人士看到东西，并帮助身体残疾人士执行诸如用思想控制轮椅等动作，就像玩意念乒乓球的猴子一样。对于其他人来说，高度侵入性脑外科手术的好处不太可能超过成本。

但前方真正的安纳普尔纳峰在于理解三磅重的兴奋性大脑物质是如何负责观看、移动和痛苦的。是的，天堂和地狱的物理基质扎根于遵循自然规律的生物电信号。但这并没有告诉我们多少关于每秒钟激增的万亿个电信号，流经数百亿个异质细胞网络，如何构成视觉、声音或情感的信息。

颅内脑刺激突出了大脑的水变成意识之酒的每日奇迹。然而，问题仍然存在：大脑，这个已知宇宙中最复杂的活性物质，究竟是什么将 860 亿个神经元的活动转化为生命本身的感觉？